Способ получения модифицированного порошка методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОДИФИЦИРОВАННОГО ПОРОШКА МЕТОДОМ САМОРАСПРОСТРАНЯЮЩЕГОСЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СИНТЕЗА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(72) Авторы Талако Татьяна Леонидовна Лецко Андрей Иванович Витязь Петр Александрович Беляев Андрей Васильевич Забавский Вячеслав Михайлович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(57) 1. Способ получения модифицированного порошка методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, включающий смешивание компонентов реакционной смеси и нанодобавки, воспламенение полученной смеси и синтез в режиме горения, отличающийся тем, что нанодобавку вводят в количестве от 0,5 до 15 объемных процентов, а перед воспламенением смесь подвергают ультразвуковой обработке. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед ультразвуковой обработкой смесь подвергают обработке в энергонапряженной мельнице. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве компонентов реакционной смеси используют порошки сплавов. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве части одного из компонентов реакционной смеси используют нанодисперсный порошок. Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к получению порошков методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Известен способ получения тугоплавких неорганических соединений, заключающийся в том, что исходные компоненты - смесь порошков металла с неметаллом дисперсностью 50-300 мкм - смешивают, загружают в замкнутый реактор и воспламеняют поджигающим составом 1. Синтез осуществляют в атмосфере аргона при давлении 10-100 атм. Однако размер частиц порошков, полученных по указанному способу, не может быть меньше размера исходных порошков, входящих в реакционную смесь. Кроме того, в процессе синте 10781 1 2008.06.30 за из-за высокой температуры в зоне реакции (2500-3000 С) частицы спекаются, образуя агломераты, которые требуют размельчения. Измельчение проводят в барабанах специальных мельниц. Однако такая операция приводит к загрязнению порошка материалом барабана, и ее длительность может составлять десятки часов. Известен способ получения порошков тугоплавких соединений, включающий приготовление смеси порошков тугоплавких металлов с неметаллами, загрузку смеси в контейнер, ее воспламенение и синтез в режиме горения. С целью увеличения дисперсности частиц и регулирования температуры горения в исходную смесь перед синтезом вводят порошок гидрида соответствующего металла в количестве 5-70 мас.от массы порошка металла 2. Недостатком данного способа является использование дорогостоящих гидридных порошков. Известен способ получения порошков углеродсодержащих тугоплавких соединений,включающий смешивание порошков металлов - групп с углеродом и соединением,регулирующим дисперсность порошка, загрузку смеси в контейнер, ее воспламенение и синтез в режиме горения, где в качестве соединения, регулирующего дисперсность порошка, используют углеводородный полимер в количестве 5-35 от веса углерода 3. Нижний предел количества вводимого порошка полимера ограничен 5 мас. , поскольку дальнейшее уменьшение не позволяет регулировать дисперсность порошка продукта. Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ получения модифицированных материалов по технологии силового СВС-компактирования 4-6. В указанном способе экзотермическую смесь порошков реагентов с добавкой нанокристаллических порошков прессуют до относительной плотности 55-60 , а синтез осуществляют в песчаной реакционной прессформе на прессе, при этом для получения беспористого продукта после завершения процесса безгазового горения прикладывают силовое воздействие. Нанодобавки способствуют модифицированию структуры получаемых материалов, улучшая тем самым служебные характеристики изделий из них. Из-за высокой удельной поверхности нанокомпонента даже малые его концентрации оказывают весьма позитивную роль на свойства продукта. Техническая задача, которую решает предлагаемое изобретение, заключается в разработке способов модифицирования структуры и свойств СВС-порошков и повышении их дисперсности. Поставленная техническая задача решается тем, что в известном способе получения модифицированного порошка методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, включающем смешивание компонентов реакционной смеси и нанодобавки, воспламенение полученной смеси и синтез в режиме горения, нанодобавку вводят в количестве от 0,5 до 15 объемных процентов, а перед воспламенением, для предотвращения агрегации нанодобавок и повышения равномерности их распределения в реакционной шихте, смесь подвергают ультразвуковой обработке. Дополнительное модифицирование структуры СВС-порошков достигается путем обработки реакционной смеси в энергонапряженных мельницах, использованием в качестве компонентов реакционной смеси порошков сплавов, а также использованием в качестве одного из компонентов реакционной смеси нанодисперсного порошка. Предлагаемый способ поясняется фигурами 1-4 (1 и 3 - прототип, 2 и 4 - предлагаемый способ). На фиг. 2 и фиг. 4 представлены, соответственно, размер частиц и микроструктура порошка , полученного по предлагаемому способу. Фиг. 1 и фиг. 3 иллюстрируют,соответственно, размер частиц и микроструктуру аналогичного порошка, полученного без использования нанодобавок. Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем. 2 10781 1 2008.06.30 Известно, что нанодобавки, не меняющие процессы химического реагирования, снижают температуру и скорость горения и приводят к сильному модифицированию структуры СВС-материалов (существенно уменьшается размер зерна, повышается однородность структуры). Это связано с тем, что, выполняя функции относительно инертного разбавителя, нанодобавки одновременно являются дополнительными центрами кристаллизации на ранней стадии структурообразования, способствуя процессу гетерогенного зародышеобразования. При этом тормозятся процессы рекристаллизации и роста зерен в волне горения. Ультразвуковая обработка обеспечивает разрушение агрегатов нанодисперсных частиц, не связанных химическими связями, способствуя снижению среднего размера частиц нанодобавок и повышению их относительного количества, а также повышает равномерность их распределения в объеме реакционной шихты. Обработка реакционной смеси в высокоэнергетической мельнице обеспечивает очистку порошков от поверхностных оксидных пленок, увеличение контактной поверхности, создание дефектной кристаллической структуры с высокой диффузионной подвижностью атомов, а также зародышей новых фаз. Использование в качестве реагентов порошков сплавов позволяет получать равномерно легированные порошки хим. соединений, а также расширяет спектр формирующихся в процессе синтеза фаз за счет реакций с участием легирующих элементов. Частичная замена реагента обычной дисперсности на нанодисперсный порошок за счет высокой активности последнего обеспечивает протекание даже низкоэкзотермических реакций. Установленные ограничения на относительное содержание нанодобавки связаны со следующим. Уменьшение относительного содержания нанодобавки менее 0,5 об.не оказывает заметного влияния на структуру и дисперсность СВС-порошков. При содержании нанодобавки более 15 об.происходит снижение полноты превращения в связи со значительной балластировкой шихты. Данный способ дает возможность получать более мелкодисперсные СВС - порошки с модифицированной структурой. Сущность изобретения поясняется следующими примерами. Пример 1. Смесь порошков никеля (ПНЭ-1 ГОСТ 9722-97) и алюминия (АСД-1, ТУ 6-02-848-74) в состоянии поставки при соотношении -31 мас.готовили в четырехбаночном смесителе при соотношении масс шихты и шаров 13 в течение 4 ч. После смешивания в шихту вводили 5 об.порошка ультрадисперсного алмаза с размером частиц порядка 300 нм,представляющих собой агрегаты из более мелких частиц размером 2-50 нм. Дальнейшее перемешивание проводили в течение 4 ч в тех же условиях. Реакционную смесь засыпали в контейнер из нержавеющей стали, уплотняли и воспламеняли поджигающим составом. После окончания реагирования и остывания материала контейнер разгружали. Продукт представлял собой спек, который при незначительной механической нагрузке разрушался в порошок. Средний размер частиц полученного порошка составил 55 мкм, средний размер зерна - 0,5 мкм, а средняя микротвердость - 363 50 по сравнению с 150 мкм, 3 мкм и 332 50, соответственно, для порошка , полученного без использования УДА(прототип). На рисунке представлена сравнительная структура СВС-порошка, полученного предложенным способом (фиг. 2 и фиг. 4) и по прототипу (фиг. 1 и фиг. 3). Пример 2. В условиях примера 1 проводили предварительную ультразвуковую обработку порошка УДА в среде этилового спирта при частоте 35 кГц в течение 40 с, затем в полученную суспензию добавляли смесь порошков -31 мас.и продолжали ультразвуковую обработку в течение 5 мин. После обработки смесь сушили на воздухе при температуре окружающей среды в течение 24 ч. После сушки смесь загружали в контейнер и осущест 3 10781 1 2008.06.30 вляли процесс синтеза, как в примере 1. Средний размер частиц полученного порошка составил 30 мкм, средний размер зерна - 0,26 мкм, а средняя микротвердость - 368 50. Пример 3. В условиях примера 1 осуществляли совместную ультразвуковую обработку порошковой смеси с УДА в среде этилового спирта при частоте 35 кГц в течение 10 мин. Дальнейший процесс осуществляли, как в примере 2. Средний размер частиц полученного порошка составил 25 мкм, средний размер зерна - 0,15 мкм, а средняя микротвердость 340 50. Пример 4. В условиях примера 1 вместо УДА добавляли 5 об.порошка 2 с размером частиц агрегатов около 500 нм и проводили обработку реакционной смеси с нанодобавками в аттриторе А-2 в среде этилового спирта при скорости вращения вала импеллера 360 об/мин и соотношении массы шаров к массе обрабатываемого материала 121. Далее процесс осуществляли, как в примере 2. Средний размер частиц полученного порошка составил 50 мкм, средний размер зерна - 0,3 мкм, а средняя микротвердость - 469 50. Материал дополнительно содержит упрочняющие включения соединения 5,42. Пример 5. В условиях примера 1 готовили реакционную шихту 20-26 мас.А 1. В смесь добавляли 5 УДА и осуществляли процесс, как в примере 4. Фазовый состав материала согласно А и МРСА, включает легированный интерметаллид , упрочненный включениями твердого раствора на основе - и карбидов хрома, формирующихся в процессе синтеза. Средний размер частиц полученного порошка составил 25 мкм, средний размер включений - - 0,3 мкм по сравнению с 1 мкм для порошка, полученного без добавок, средняя микротвердость - 331 50. Пример 6. В условиях примера 1 готовили хромуглеродную смесь из расчета стехиометрии С 3 С 2. При этом 5 технической сажи заменяли порошком ультрадисперсного алмаза. Полученную смесь подвергали механохимической активации в аттриторе в течение 1,5 ч при скорости вращения импеллера 190 об/мин и соотношении массы шаров и порошка 201. Реакционную смесь засыпали в контейнер, помещали последний в нагревательное устройство, подводили вольфрамовую спираль в контакт с поверхностью смеси, нагревали шихту до температуры 800 С и осуществляли воспламенение смеси подачей через спираль кратковременного импульса тока. Использование порошка УДА обеспечивает полное превращение в системе без добавления веществ -активаторов горения. Таким образом, дополнительное введение в реакционную смесь для СВС от 0,5 до 15 объемных процентов нанодобавок и ультразвуковая обработка материалов позволяют существенно уменьшить размер частиц получаемого порошка и измельчить его структуру. Дополнительная обработка реакционной смеси в энергонапряженных мельницах, использование в качестве исходных реагентов порошков сплавов и частичная замена реагентов обычной дисперсности на нанодисперсный компонент также являются эффективными средствами модифицирования структуры СВС-порошков. Источники информации 1. А.с. СССР 255221, МПК 7 С 01 В 31/30, 1968. 2. А.с. СССР 460115, МПК 7 В 229/16, 1973. 3. А.с. СССР 1024153, МПК 7 В 229/16, 1983. 4. Левашов Е.А., Кудряшов А.Е., Питюлин А.Н., Боровинская И.П. Особенности влияния добавок ультрадисперсного алмаза на процесс горения и структурообразования СВСсистем -, , С-сталь // Известия ВУЗов. Цветная металлургия. - 2000.3. - С. 74-79. 4 10781 1 2008.06.30 5. Левашов Е.А., Малочкин О.В., Кудряшов А.Е., Елухов С.А., Свиридова Т.А., Гаммел Ф., Зухентрунг Р. Особенности влияния нанокристаллических порошков на процессы горения и формирование состава, структуры и свойств сплава СТИМ-3 Б. // Известия ВУЗов. Цветная металлургия. - 2001. -1. - С. 53-59. 6. Левашов Е.А., Малочкин О.В., Кудряшов А.Е., Глухов С.А., Свиридова Т.А. Исследование влияния нанокристаллических порошков на процессы горения и формирование состава, структуры и свойств сплава системы // Цветные металлы. - 2002. -3. С. 60-65. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5